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Hipótesis de De Broglie

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HIPOTESIS DE BROGLIE (1)

¿Toda la materia exhibe propiedades onduladas?

La hipótesis de De Broglie propone que toda la materia exhibe propiedades onduladas y relaciona la longitud de onda observada de la materia con su momento. Después de que se aceptara la teoría de los fotones de Albert Einstein , la pregunta fue si esto era cierto solo para la luz o si los objetos materiales también exhibían un comportamiento ondulatorio. Así es como se desarrolló la hipótesis de De Broglie.

Tesis de De Broglie

En su tesis doctoral de 1923 (o 1924, según la fuente), el físico francés Louis de Broglie hizo una afirmación audaz. Considerando la relación de Einstein entre la longitud de onda lambda y el impulso p , de Broglie propuso que esta relación determinaría la longitud de onda de cualquier materia, en la relación:

lambda = h / 

precuerde que 

h es la constante de Planck

Esta longitud de onda se llama longitud de onda de De Broglie . La razón por la que eligió la ecuación del momento sobre la ecuación de la energía es que no estaba claro, con la materia, si E debería ser energía total, energía cinética o energía relativista total. En el caso de los fotones, todos son iguales, pero no en la materia.

Sin embargo, suponiendo que la relación de la cantidad de movimiento permitía la derivación de una relación de De Broglie similar para la frecuencia f utilizando la energía cinética E k :

f = E k / h

Formulaciones alternativas

Las relaciones de De Broglie a veces se expresan en términos de la constante de Dirac, h-bar = h / (2 pi ), y la frecuencia angular w y el número de onda k :

p = barra h * 

kE k= barra h * w

Confirmación experimental

En 1927, los físicos Clinton Davisson y Lester Germer, de Bell Labs, realizaron un experimento en el que dispararon electrones a un objetivo de níquel cristalino. El patrón de difracción resultante coincidió con las predicciones de la longitud de onda de De Broglie. De Broglie recibió el Premio Nobel de 1929 por su teoría (la primera vez que se le otorgó por una tesis de doctorado) y Davisson / Germer lo ganaron conjuntamente en 1937 por el descubrimiento experimental de la difracción de electrones (y por lo tanto la prueba de De Broglie hipótesis).

Otros experimentos han sostenido que la hipótesis de De Broglie es cierta, incluidas las variantes cuánticas del experimento de doble rendija . Los experimentos de difracción en 1999 confirmaron la longitud de onda de De Broglie para el comportamiento de moléculas tan grandes como buckyballs, que son moléculas complejas formadas por 60 o más átomos de carbono.

Importancia de la hipótesis de de Broglie

La hipótesis de De Broglie mostró que la dualidad onda-partícula no era simplemente un comportamiento aberrante de la luz, sino que era un principio fundamental exhibido tanto por la radiación como por la materia. Como tal, es posible utilizar ecuaciones de onda para describir el comportamiento del material, siempre que se aplique correctamente la longitud de onda de De Broglie. Esto resultaría crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica. Ahora es una parte integral de la teoría de la estructura atómica y la física de partículas.

Objetos macroscópicos y longitud de onda

Aunque la hipótesis de De Broglie predice longitudes de onda para materias de cualquier tamaño, existen límites realistas sobre cuándo es útil. Una pelota de béisbol lanzada a un lanzador tiene una longitud de onda de De Broglie que es más pequeña que el diámetro de un protón en aproximadamente 20 órdenes de magnitud. Los aspectos ondulatorios de un objeto macroscópico son tan pequeños que no se pueden observar en ningún sentido útil, aunque es interesante reflexionar sobre ellos.

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Dualidad de partículas de onda y cómo funciona

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ondas

El principio de dualidad onda-partícula de la física cuántica sostiene que la materia y la luz exhiben el comportamiento de ondas y partículas, dependiendo de las circunstancias del experimento. Es un tema complejo pero uno de los más intrigantes de la física. 

Dualidad onda-partícula en la luz

En el siglo XVII, Christiaan Huygens e Isaac Newton propusieron teorías en competencia sobre el comportamiento de la luz. Huygens propuso una teoría ondulatoria de la luz, mientras que la de Newton era una teoría «corpuscular» (de partículas) de la luz. La teoría de Huygens tenía algunos problemas para igualar la observación y el prestigio de Newton ayudó a respaldar su teoría, por lo que, durante más de un siglo, la teoría de Newton fue dominante.

A principios del siglo XIX, surgieron complicaciones para la teoría corpuscular de la luz. Se había observado difracción, por un lado, que tuvo problemas para explicar adecuadamente.  El experimento de doble rendija de Thomas Young resultó en un comportamiento de onda obvio y pareció apoyar firmemente la teoría ondulatoria de la luz sobre la teoría de partículas de Newton.

Una onda generalmente tiene que propagarse a través de algún tipo de medio. El medio propuesto por Huygens había sido el éter luminífero (o en la terminología moderna más común, éter ). Cuando James Clerk Maxwell cuantificó un conjunto de ecuaciones (llamadas leyes de Maxwell o ecuaciones de Maxwell ) para explicar la radiación electromagnética (incluida la luz visible) como la propagación de ondas, asumió tal éter como el medio de propagación, y sus predicciones fueron consistentes con resultados experimentales.

El problema con la teoría de las ondas era que nunca se había encontrado tal éter. No solo eso, sino que las observaciones astronómicas en aberración estelar realizadas por James Bradley en 1720 habían indicado que el éter tendría que estar estacionario en relación con una Tierra en movimiento. 

A lo largo de la década de 1800, se intentó detectar el éter o su movimiento directamente, culminando con el famoso experimento de Michelson-Morley. Todos ellos fallaron en detectar realmente el éter, lo que resultó en un gran debate al comienzo del siglo XX. ¿Era la luz una onda o una partícula?

En 1905, Albert Einstein publicó su artículo para explicar el efecto fotoeléctrico, que proponía que la luz viajaba como haces discretos de energía. La energía contenida dentro de un fotón estaba relacionada con la frecuencia de la luz. Esta teoría llegó a conocerse como la teoría fotónica de la luz (aunque la palabra fotón no se acuñó hasta años después).

Con los fotones, el éter ya no era esencial como medio de propagación, aunque todavía dejaba la extraña paradoja de por qué se observaba el comportamiento de las ondas. Aún más peculiares fueron las variaciones cuánticas del experimento de la doble rendija y el efecto Compton que parecían confirmar la interpretación de las partículas.

A medida que se realizaron experimentos y se acumularon pruebas, las implicaciones rápidamente se volvieron claras y alarmantes:La luz funciona como partícula y como onda, dependiendo de cómo se lleve a cabo el experimento y cuándo se hagan las observaciones.

Dualidad onda-partícula en la materia

La cuestión de si tal dualidad también se manifestó en la materia fue abordada por la audaz hipótesis de De Broglie, que extendió el trabajo de Einstein para relacionar la longitud de onda observada de la materia con su impulso. Los experimentos confirmaron la hipótesis en 1927, lo que resultó en un Premio Nobel en 1929 para De Broglie.

Al igual que la luz, parecía que la materia exhibía propiedades tanto de onda como de partícula en las circunstancias adecuadas. Obviamente, los objetos masivos exhiben longitudes de onda muy pequeñas, tan pequeñas de hecho que es bastante inútil pensar en ellos como una onda. Pero para objetos pequeños, la longitud de onda puede ser observable y significativa, como lo demuestra el experimento de doble rendija con electrones.

Importancia de la dualidad onda-partícula

El mayor significado de la dualidad onda-partícula es que todo el comportamiento de la luz y la materia puede explicarse mediante el uso de una ecuación diferencial que representa una función de onda, generalmente en la forma de la ecuación de Schrodinger. Esta capacidad para describir la realidad en forma de ondas está en el corazón de la mecánica cuántica.

La interpretación más común es que la función de onda representa la probabilidad de encontrar una partícula determinada en un punto determinado. Estas ecuaciones de probabilidad pueden difractar, interferir y exhibir otras propiedades onduladas, lo que da como resultado una función de onda probabilística final que también exhibe estas propiedades.

Las partículas terminan distribuidas de acuerdo con las leyes de probabilidad y, por lo tanto, exhiben las propiedades de onda . En otras palabras, la probabilidad de que una partícula se encuentre en cualquier lugar es una onda, pero la apariencia física real de esa partícula no lo es.

Si bien las matemáticas, aunque complicadas, hacen predicciones precisas, el significado físico de estas ecuaciones es mucho más difícil de comprender. El intento de explicar lo que «realmente significa» la dualidad onda-partícula es un punto clave de debate en la física cuántica. Existen muchas interpretaciones para tratar de explicar esto, pero todas están limitadas por el mismo conjunto de ecuaciones de onda… y, en última instancia, deben explicar las mismas observaciones experimentales.

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¿Por qué el agua es azul en un reactor nuclear? Radiación de Cherenkov

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REACTOR NUCLEAR

En las películas de ciencia ficción, los reactores nucleares y los materiales nucleares siempre brillan. Si bien las películas usan efectos especiales, el brillo se basa en hechos científicos. Por ejemplo, ¡el agua que rodea a los reactores nucleares en realidad brilla en un azul brillante! ¿Como funciona? Se debe al fenómeno llamado Radiación de Cherenkov.

Definición de radiación de Cherenkov

¿Qué es la radiación de Cherenkov? Esencialmente, es como un boom sónico, excepto con luz en lugar de sonido. La radiación de Cherenkov se define como la radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada se mueve a través de un medio dieléctrico más rápido que la velocidad de la luz en el medio. El efecto también se llama radiación de Vavilov-Cherenkov o radiación de Cerenkov.

Lleva el nombre del físico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov, quien recibió el Premio Nobel de Física en 1958, junto con Ilya Frank e Igor Tamm, por la confirmación experimental del efecto. Cherenkov había notado el efecto por primera vez en 1934, cuando una botella de agua expuesta a la radiación brillaba con luz azul. Aunque no se observó hasta el siglo XX y no se explicó hasta que Einstein propuso su teoría de la relatividad especial, la radiación de Cherenkov había sido predicha por el erudito inglés Oliver Heaviside como teóricamente posible en 1888.

Cómo funciona la radiación de Cherenkov

La velocidad de la luz en el vacío en una constante (c), sin embargo, la velocidad a la que la luz viaja a través de un medio es menor que c, por lo que es posible que las partículas viajen a través del medio más rápido que la luz, pero aún más lento que la velocidad de luz . Por lo general, la partícula en cuestión es un electrón. Cuando un electrón energético pasa a través de un medio dieléctrico, el campo electromagnético se interrumpe y se polariza eléctricamente. Sin embargo, el medio solo puede reaccionar tan rápido, por lo que queda una perturbación o una onda de choque coherente a raíz de la partícula. Una característica interesante de la radiación de Cherenkov es que se encuentra principalmente en el espectro ultravioleta, no en azul brillante, pero forma un espectro continuo (a diferencia de los espectros de emisión, que tienen picos espectrales).

Por qué el agua en un reactor nuclear es azul

A medida que la radiación de Cherenkov atraviesa el agua, las partículas cargadas viajan más rápido que la luz a través de ese medio. Entonces, la luz que ve tiene una frecuencia más alta (o una longitud de onda más corta) que la longitud de onda habitual . Debido a que hay más luz con una longitud de onda corta, la luz parece azul. Pero, ¿por qué hay luz? Es porque la partícula cargada de movimiento rápido excita los electrones de las moléculas de agua. Estos electrones absorben energía y la liberan como fotones (luz) cuando regresan al equilibrio. Normalmente, algunos de estos fotones se cancelarían entre sí (interferencia destructiva), por lo que no verías un resplandor. Pero, cuando la partícula viaja más rápido de lo que la luz puede viajar a través del agua, la onda de choque produce una interferencia constructiva que se ve como un resplandor.

Uso de radiación de Cherenkov

La radiación de Cherenkov es buena para algo más que hacer que el agua brille de color azul en un laboratorio nuclear. En un reactor de tipo piscina, la cantidad de resplandor azul se puede utilizar para medir la radiactividad de las barras de combustible gastado. La radiación se utiliza en experimentos de física de partículas para ayudar a identificar la naturaleza de las partículas que se examinan. Se utiliza en imágenes médicas y para etiquetar y rastrear moléculas biológicas para comprender mejor las vías químicas. La radiación de Cherenkov se produce cuando los rayos cósmicos y las partículas cargadas interactúan con la atmósfera de la Tierra, por lo que se utilizan detectores para medir estos fenómenos, detectar neutrinos y estudiar objetos astronómicos emisores de rayos gamma, como los restos de supernovas.

Datos curiosos sobre la radiación de Cherenkov

  • La radiación de Cherenkov puede ocurrir en el vacío, no solo en un medio como el agua. En el vacío, la velocidad de fase de una onda disminuye, sin embargo, la velocidad de la partícula cargada permanece más cerca (aunque menos que) de la velocidad de la luz. Esto tiene una aplicación práctica, ya que se utiliza para producir microondas de alta potencia.
  • Si partículas cargadas relativistas golpean el humor vítreo del ojo humano, se pueden ver destellos de radiación de Cherenkov. Esto puede ocurrir por exposición a rayos cósmicos o en un accidente de criticidad nuclear.

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Efecto fotoeléctrico: electrones de la materia y la luz

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Efecto fotoeléctrico:

El efecto fotoeléctrico ocurre cuando la materia emite electrones al exponerse a radiación electromagnética, como fotones de luz. A continuación, se muestra más de cerca qué es el efecto fotoeléctrico y cómo funciona.

Descripción general del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico se estudia en parte porque puede ser una introducción a la dualidad onda-partícula y la mecánica cuántica.

Cuando una superficie está expuesta a energía electromagnética suficientemente enérgica, se absorberá luz y se emitirán electrones. La frecuencia de umbral es diferente para diferentes materiales. Es luz visible para metales alcalinos, luz casi ultravioleta para otros metales y radiación ultravioleta extrema para no metales. El efecto fotoeléctrico ocurre con fotones que tienen energías desde unos pocos electronvoltios hasta más de 1 MeV. A altas energías de fotones comparables a la energía en reposo de electrones de 511 keV, puede producirse una dispersión de Compton, la producción de pares puede tener lugar a energías superiores a 1,022 MeV.

Einstein propuso que la luz constaba de cuantos, a los que llamamos fotones. Sugirió que la energía en cada cuanto de luz era igual a la frecuencia multiplicada por una constante (constante de Planck) y que un fotón con una frecuencia por encima de cierto umbral tendría suficiente energía para expulsar un solo electrón, produciendo el efecto fotoeléctrico. Resulta que no es necesario cuantificar la luz para explicar el efecto fotoeléctrico, pero algunos libros de texto persisten en decir que el efecto fotoeléctrico demuestra la naturaleza de partículas de la luz.

Ecuaciones de Einstein para el efecto fotoeléctrico

La interpretación de Einstein del efecto fotoeléctrico da como resultado ecuaciones que son válidas para la luz visible y ultravioleta :

energía del fotón = energía necesaria para eliminar un electrón + energía cinética del electrón emitido

hν = W + E

donde
h es la constante de Planck
ν es la frecuencia del fotón incidente
W es la función de trabajo, que es la energía mínima requerida para eliminar un electrón de la superficie de un metal dado: hν 0
E es la energía cinética máxima de los electrones expulsados: 1 / 2 mv 2
ν 0 es la frecuencia umbral para el efecto fotoeléctrico
m es la masa en reposo del electrón expulsado
v es la velocidad del electrón expulsado

No se emitirá ningún electrón si la energía del fotón incidente es menor que la función de trabajo.

Aplicando la teoría especial de la relatividad de Einstein , la relación entre la energía (E) y el momento (p) de una partícula es

E = [(pc) 2 + (mc 2 ) 2 ] (1/2)

donde m es la masa en reposo de la partícula yc es la velocidad de la luz en el vacío.

Características clave del efecto fotoeléctrico

  • La velocidad a la que se expulsan los fotoelectrones es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente, para una frecuencia determinada de radiación incidente y metal.
  • El tiempo entre la incidencia y la emisión de un fotoelectrón es muy pequeño, menos de 10 a 9 segundos.
  • Para un metal dado, existe una frecuencia mínima de radiación incidente por debajo de la cual no se producirá el efecto fotoeléctrico, por lo que no se pueden emitir fotoelectrones (frecuencia umbral).
  • Por encima de la frecuencia umbral, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido depende de la frecuencia de la radiación incidente pero es independiente de su intensidad.
  • Si la luz incidente está polarizada linealmente, entonces la distribución direccional de los electrones emitidos alcanzará un pico en la dirección de polarización (la dirección del campo eléctrico).

Comparación del efecto fotoeléctrico con otras interacciones

Cuando la luz y la materia interactúan, son posibles varios procesos, dependiendo de la energía de la radiación incidente. El efecto fotoeléctrico resulta de la luz de baja energía. La energía media puede producir la dispersión de Thomson y la dispersión de Compton . La luz de alta energía puede provocar la producción de pares.

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Dualidad onda-partícula – Definición

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La luz actúa como una onda y una partícula

La dualidad onda-partícula describe las propiedades de los fotones y las partículas subatómicas para exhibir propiedades tanto de ondas como de partículas. La dualidad onda-partícula es una parte importante de la mecánica cuántica, ya que ofrece una manera de explicar por qué los conceptos de «onda» y «partícula», que funcionan en la mecánica clásica, no cubren el comportamiento de los objetos cuánticos . La naturaleza dual de la luz ganó aceptación después de 1905, cuando Albert Einstein describió la luz en términos de fotones, que exhibían propiedades de partículas, y luego presentó su famoso artículo sobre la relatividad especial, en el que la luz actuaba como un campo de ondas.

Partículas que exhiben dualidad onda-partícula

Se ha demostrado la dualidad onda-partícula para fotones (luz), partículas elementales, átomos y moléculas. Sin embargo, las propiedades de onda de las partículas más grandes, como las moléculas, tienen longitudes de onda extremadamente cortas y son difíciles de detectar y medir. La mecánica clásica es generalmente suficiente para describir el comportamiento de entidades macroscópicas.

Evidencia de la dualidad onda-partícula

Numerosos experimentos han validado la dualidad onda-partícula, pero hay algunos experimentos tempranos específicos que terminaron el debate sobre si la luz consiste en ondas o partículas:

Efecto fotoeléctrico: la luz se comporta como partículas

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el que los metales emiten electrones cuando se exponen a la luz. El comportamiento de los fotoelectrones no podría explicarse mediante la teoría electromagnética clásica. Heinrich Hertz notó que hacer brillar los electrodos con luz ultravioleta mejoraba su capacidad para producir chispas eléctricas (1887). Einstein (1905) explicó que el efecto fotoeléctrico es el resultado de la luz transportada en paquetes discretos cuantificados. El experimento de Robert Millikan (1921) confirmó la descripción de Einstein y llevó a Einstein a ganar el Premio Nobel en 1921 por «su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico» y a Millikan a ganar el Premio Nobel en 1923 por «su trabajo sobre la carga elemental de la electricidad y sobre el efecto fotoeléctrico «.

Experimento Davisson-Germer – La luz se comporta como ondas

El experimento de Davisson-Germer confirmó la hipótesis de DeBroglie y sirvió de base para la formulación de la mecánica cuántica. El experimento aplicó esencialmente la ley de difracción de Bragg a las partículas. El aparato de vacío experimental midió las energías electrónicas esparcidas desde la superficie de un filamento de alambre calentado y se dejó golpear una superficie de metal de níquel. El haz de electrones podría girarse para medir el efecto de cambiar el ángulo sobre los electrones dispersos. Los investigadores encontraron que la intensidad del rayo disperso alcanzó su punto máximo en ciertos ángulos. Esto indicó el comportamiento de las ondas y podría explicarse aplicando la ley de Bragg al espaciado de la red cristalina de níquel.

Experimento de doble rendija de Thomas Young

El experimento de la doble rendija de Young se puede explicar utilizando la dualidad onda-partícula. La luz emitida se aleja de su fuente como una onda electromagnética. Al encontrar una hendidura, la onda pasa a través de la hendidura y se divide en dos frentes de onda, que se superponen. En el momento del impacto en la pantalla, el campo de ondas «colapsa» en un solo punto y se convierte en un fotón.

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¿Qué es la óptica cuántica?

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optica cuantica

La óptica cuántica es un campo de la física cuántica que se ocupa específicamente de la interacción de los fotones con la materia. El estudio de fotones individuales es fundamental para comprender el comportamiento de las ondas electromagnéticas en su conjunto.

Para aclarar exactamente lo que esto significa, la palabra «cuántica» se refiere a la cantidad más pequeña de cualquier entidad física que puede interactuar con otra entidad. La física cuántica, por tanto, se ocupa de las partículas más pequeñas; se trata de partículas subatómicas increíblemente diminutas que se comportan de forma única.

La palabra «óptica», en física, se refiere al estudio de la luz. Los fotones son las partículas de luz más pequeñas (aunque es importante saber que los fotones pueden comportarse como partículas y como ondas).

Desarrollo de la óptica cuántica y la teoría fotónica de la luz

La teoría de que la luz se movía en haces discretos (es decir, fotones) se presentó en el artículo de 1900 de Max Planck sobre la catástrofe ultravioleta en la radiación del cuerpo negro. En 1905, Einstein amplió estos principios en su explicación del efecto fotoeléctrico para definir la teoría fotónica de la luz.

La física cuántica se desarrolló a lo largo de la primera mitad del siglo XX en gran parte a través del trabajo sobre nuestra comprensión de cómo los fotones y la materia interactúan y se relacionan entre sí. Sin embargo, esto fue visto como un estudio del asunto involucrado más que la luz involucrada.

En 1953, se desarrolló el maser (que emitía microondas coherentes) y en 1960 el láser (que emitía luz coherente). A medida que la propiedad de la luz involucrada en estos dispositivos se hizo más importante, la óptica cuántica comenzó a usarse como el término para este campo de estudio especializado.

Recomendaciones

La óptica cuántica (y la física cuántica en su conjunto) considera que la radiación electromagnética viaja en forma de onda y partícula al mismo tiempo. Este fenómeno se llama dualidad onda-partícula.

La explicación más común de cómo funciona esto es que los fotones se mueven en una corriente de partículas, pero el comportamiento general de esas partículas está determinado por una función de onda cuántica que determina la probabilidad de que las partículas estén en una ubicación determinada en un momento dado.

Tomando los hallazgos de la electrodinámica cuántica (QED), también es posible interpretar la óptica cuántica en forma de creación y aniquilación de fotones, descrita por operadores de campo. Este enfoque permite el uso de ciertos enfoques estadísticos que son útiles para analizar el comportamiento de la luz, aunque si representa lo que está sucediendo físicamente es un tema de debate (aunque la mayoría de la gente lo ve como un modelo matemático útil).

Aplicaciones

Los láseres (y máseres) son la aplicación más obvia de la óptica cuántica. La luz emitida por estos dispositivos está en un estado coherente, lo que significa que la luz se parece mucho a una onda sinusoidal clásica. En este estado coherente, la función de onda de la mecánica cuántica (y, por tanto, la incertidumbre de la mecánica cuántica) se distribuye por igual. La luz emitida por un láser es, por lo tanto, muy ordenada y generalmente limitada a esencialmente el mismo estado de energía (y por lo tanto la misma frecuencia y longitud de onda).

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Definición de Quarks en física

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quarks en física

Un quark es una de las partículas fundamentales de la física. Se unen para formar hadrones, como protones y neutrones, que son componentes de los núcleos de los átomos. El estudio de los quarks y las interacciones entre ellos a través de la fuerza fuerte se llama física de partículas.

La antipartícula de un quark es el antiquark. Los quarks y antiquarks son las únicas dos partículas fundamentales que interactúan a través de las cuatro fuerzas fundamentales de la física : la gravitación, el electromagnetismo y las interacciones fuerte y débil .

Quarks y confinamiento

Un quark exhibe confinamiento , lo que significa que los quarks no se observan de forma independiente, sino siempre en combinación con otros quarks. Esto hace que la determinación de las propiedades (masa, espín y paridad) sea imposible de medir directamente; estos rasgos deben inferirse de las partículas compuestas por ellos.

Estas medidas indican un espín no entero (+1/2 o -1/2), por lo que los quarks son fermiones y siguen el principio de exclusión de Pauli .

En la fuerte interacción entre los quarks, intercambian gluones, que son bosones de calibre de vector sin masa que llevan un par de cargas de color y anticolor. Al intercambiar gluones, el color de los quarks cambia. Esta fuerza de color es más débil cuando los quarks están muy juntos y se vuelve más fuerte a medida que se separan.

Los quarks están tan fuertemente ligados por la fuerza del color que si hay suficiente energía para separarlos, se produce un par de quark-antiquark y se une con cualquier quark libre para producir un hadrón. Como resultado, los quarks libres nunca se ven solos.

Sabores de Quarks

Hay seis sabores de quarks: arriba, abajo, extraño, encantador, inferior y superior. El sabor del quark determina sus propiedades.

Los quarks con una carga de + (2/3) e se denominan quarks de tipo ascendente , y aquellos con una carga de – (1/3) e se denominan de tipo descendente .

Hay tres generaciones de quarks, basadas en pares de isospin débil positivo / negativo, débil. Los quarks de primera generación son quarks arriba y abajo, los quarks de segunda generación son extraños y los quarks encantadores, los quarks de tercera generación son quarks superior e inferior.

Todos los quarks tienen un número bariónico (B = 1/3) y un número leptónico (L = 0). El sabor determina algunas otras propiedades únicas, descritas en descripciones individuales.

Los quarks up y down forman protones y neutrones, que se ven en el núcleo de la materia ordinaria. Son los más ligeros y estables. Los quarks más pesados ​​se producen en colisiones de alta energía y se descomponen rápidamente en quarks up y down. Un protón está compuesto por dos quarks up y un quark down. Un neutrón se compone de un quark up y dos quarks down.

Quarks de primera generación

Arriba quark (símbolo u )

  • Isospin débil: +1/2
  • Isospín ( I z ): +1/2
  • Carga (proporción de e ): +2/3
  • Masa (en MeV / c 2 ): 1,5 a 4,0 

Quark abajo (símbolo d )

  • Isospin débil: -1/2
  • Isospín ( I z ): -1/2
  • Carga (proporción de e ): -1/3
  • Masa (en MeV / c 2 ) : 4 a 8 

Quarks de segunda generación

Charm quark (símbolo c )

  • Isospin débil: +1/2
  • Encanto ( C ): 1
  • Carga (proporción de e ): +2/3
  • Masa (en MeV / c 2 ): 1150 a 1350 

Quark extraño (símbolo s )

  • Isospin débil: -1/2
  • Extrañeza ( S ): -1
  • Carga (proporción de e ): -1/3
  • Masa (en MeV / c 2 ): 80 a 130 

Quarks de tercera generación

Quark top (símbolo t )

  • Isospin débil: +1/2
  • Topness ( T ): 1
  • Carga (proporción de e ): +2/3
  • Masa (en MeV / c 2 ): 170200 a 174800 

Quark de fondo (símbolo b )

  • Isospin débil: -1/2
  • Fondo ( B ‘ ): 1
  • Carga (proporción de e ): -1/3
  • Masa (en MeV / c 2 ): 4100 a 4400 

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Definición de fotones

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fotones

Definición de fotón: Un fotón es un paquete discreto de energía asociado con la radiación electromagnética (luz). Un fotón tiene energía E que es proporcional a la frecuencia ν de la radiación: E = hν, donde h es la constante de Planck.

También conocido como: quantum, quanta (plural)

Características

Los fotones son únicos porque tienen características de partículas y ondas al mismo tiempo. Para los estudiantes, no está claro si un fotón es una partícula que viaja en un patrón de onda o una onda dividida en partículas. La mayoría de los científicos simplemente aceptan el fotón como un paquete único de energía que tiene características tanto de ondas como de partículas.

Propiedades de un fotón

  • Se comporta como una partícula y una onda, simultáneamente.
  • Se mueve a una velocidad constante,  c  = 2.9979 x 10 8  m / s (es decir, «la velocidad de la luz»), en el espacio vacío.
  • Tiene masa cero y energía en reposo.
  • Transporta energía y el impulso, que también se relaciona con la frecuencia ( nu) y longitud de onda  (Lamdba)  de la onda electromagnética, tal como se expresa por la ecuación  E  =  h nu  y  p  =  h  /  lambda.
  • Puede ser destruido / creado cuando se absorbe / emite radiación.
  • Puede tener interacciones similares a partículas (es decir, colisiones) con electrones y otras partículas, como en el  efecto Compton  en el que las partículas de luz chocan con los átomos, provocando la liberación de electrones.

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Historia de los rayos catódicos

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rayos catodicos

Los rayos catódicos son haces de electrones en un tubo de vacío que viaja desde el electrodo cargado negativamente (cátodo) en un extremo hasta el electrodo cargado positivamente ( ánodo ) en el otro, a través de una diferencia de voltaje entre los electrodos. También se denominan haces de electrones.

Cómo funcionan los rayos catódicos

El electrodo en el extremo negativo se llama cátodo. El electrodo en el extremo positivo se llama ánodo. Dado que los electrones son repelidos por la carga negativa, el cátodo se considera la «fuente» del rayo catódico en la cámara de vacío. Los electrones son atraídos por el ánodo y viajan en línea recta a través del espacio entre los dos electrodos.

Los rayos catódicos son invisibles pero su efecto es excitar los átomos en el vidrio opuesto al cátodo, por el ánodo. Viajan a alta velocidad cuando se aplica voltaje a los electrodos y algunos desvían el ánodo para golpear el vidrio. Esto hace que los átomos del vidrio se eleven a un nivel de energía más alto, produciendo un brillo fluorescente. Esta fluorescencia se puede mejorar aplicando productos químicos fluorescentes a la pared trasera del tubo. Un objeto colocado en el tubo proyectará una sombra, mostrando que los electrones fluyen en línea recta, un rayo.

Los rayos catódicos pueden ser desviados por un campo eléctrico, lo que demuestra que está compuesto por partículas de electrones en lugar de fotones. Los rayos de electrones también pueden atravesar una fina lámina metálica. Sin embargo, los rayos catódicos también exhiben características onduladas en los experimentos de celosía cristalina.

Un cable entre el ánodo y el cátodo puede devolver los electrones al cátodo, completando un circuito eléctrico. Los tubos de rayos catódicos fueron la base para las transmisiones de radio y televisión. Los televisores y monitores de computadora antes del debut de las pantallas de plasma, LCD y OLED eran tubos de rayos catódicos (CRT).

Historia de los rayos catódicos

Con la invención de la bomba de vacío en 1650, los científicos pudieron estudiar los efectos de diferentes materiales en el vacío, y pronto comenzaron a estudiar la  electricidad  en el vacío. Ya en 1705 se registró que en vacíos (o cerca de vacíos) las descargas eléctricas podían viajar una distancia mayor. 

Tales fenómenos se hicieron populares como novedades, e incluso físicos de renombre como Michael Faraday estudiaron sus efectos. Johann Hittorf descubrió los rayos catódicos en 1869 usando un tubo de Crookes y notando las sombras proyectadas en la pared brillante del tubo opuesto al cátodo.

En 1897, JJ Thomson descubrió que la masa de las partículas en los rayos catódicos era 1800 veces más ligera que el hidrógeno, el elemento más ligero. Este fue el primer descubrimiento de partículas subatómicas, que llegaron a llamarse electrones. Recibió el Premio Nobel de Física de 1906 por este trabajo.

A finales del siglo XIX, el físico Phillip von Lenard estudió intensamente los rayos catódicos y su trabajo con ellos le valió el Premio Nobel de Física de 1905.

La aplicación comercial más popular de la tecnología de rayos catódicos es en forma de televisores y monitores de computadora tradicionales, aunque estos están siendo reemplazados por pantallas más nuevas como OLED.

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Definición de poder en física

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poder en física

La potencia es la velocidad a la que se realiza el trabajo o la energía  se transfiere en una unidad de tiempo. La potencia aumenta si el trabajo se realiza más rápido o la energía se transfiere en menos tiempo.

Calcular la potencia

La ecuación de potencia es P = W / t

  • P significa potencia (en vatios)
  • W representa la cantidad de trabajo realizado (en julios) o energía gastada (en julios)
  • t representa la cantidad de tiempo (en segundos)

En términos de cálculo, el poder es la derivada del trabajo con respecto al tiempo. Si el trabajo se hace más rápido, la potencia es mayor. Si el trabajo se hace más lento, la potencia es menor.

Dado que el trabajo es la fuerza multiplicada por el desplazamiento (W = F * d) y la velocidad es el desplazamiento en el tiempo (v = d / t), la potencia es igual a la fuerza multiplicada por la velocidad: P = F * v. Se ve más potencia cuando el sistema es fuerte en fuerza y ​​rápido en velocidad.

Unidades de poder

La potencia se mide en energía (julios) dividida por el tiempo. La unidad SI de potencia es el vatio (W) o julio por segundo (J / s). El poder es una cantidad escalar, no tiene dirección.

Los caballos de fuerza se utilizan a menudo para describir la potencia entregada por una máquina. Los caballos de fuerza son una unidad de potencia en el sistema de medida británico. Es la potencia requerida para levantar 550 libras por un pie en un segundo y es de aproximadamente 746 vatios.

El vatio se ve a menudo en relación con las bombillas . En esta potencia nominal, es la velocidad a la que la bombilla convierte la energía eléctrica en luz y calor. Una bombilla de mayor potencia consumirá más electricidad por unidad de tiempo.

Si conoce la potencia de un sistema, puede encontrar la cantidad de trabajo que se producirá, como W = Pt. Si una bombilla tiene una potencia nominal de 50 vatios, producirá 50 julios por segundo. En una hora (3600 segundos) producirá 180.000 julios.

Trabajo y poder

Cuando caminas una milla, tu fuerza motriz desplaza tu cuerpo, que se mide a medida que se realiza el trabajo. Cuando corres la misma milla, estás haciendo la misma cantidad de trabajo pero en menos tiempo. El corredor tiene una potencia nominal más alta que el andador, generando más vatios. Un automóvil con 80 caballos de fuerza puede producir una aceleración más rápida que un automóvil con 40 caballos de fuerza. Al final, ambos autos van a 60 millas por hora, pero el motor de 80 hp puede alcanzar esa velocidad más rápido.

En la carrera entre la tortuga y la liebre, la liebre tenía más potencia y aceleraba más rápido, pero la tortuga hizo el mismo trabajo y recorrió la misma distancia en mucho más tiempo. La tortuga mostró menos poder.

Energía promedio

Cuando se habla de potencia, la gente suele referirse a la potencia media, P avg . Es la cantidad de trabajo realizado en un período de tiempo (ΔW / Δt) o la cantidad de energía transferida en un período de tiempo (ΔE / Δt).

Potencia instantánea

¿Cuál es el poder en un momento específico? Cuando la unidad de tiempo se acerca a cero, se necesita el cálculo para derivar una respuesta, pero se aproxima mediante la fuerza multiplicada por la velocidad.

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